高穩(wěn)定寬量程電流傳感器測試方法研究

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 徐丹輝 李鴻儒 鄭 楠

杭州電子科技大學(xué) 白 茹

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 梁永勝 徐海寧 祁 靜 金志東

高性能寬量程電流傳感器件在儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因此研究出一套高穩(wěn)定寬量程電流傳感器的測試方法，實現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)，對提高產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的批量檢測和定標(biāo)能力有極大的幫助。

1 工作量程評測方法

傳感器工作量程是指在規(guī)定的輸入信號情況下，傳感器的輸出能夠準(zhǔn)確反映輸入的變化，并符合規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，這時的輸入信號范圍即為傳感器的工作量程。

評測方法：傳感器按圖1的方式接線，高低溫試驗箱設(shè)定在常溫工作溫度，對傳感器輸入規(guī)定的滿量程被測信號，待測表各量程的滿量程應(yīng)處于電流源輸出值20%～80%。同時檢測傳感器的相應(yīng)輸出，傳感器的輸出值應(yīng)該符合規(guī)定的數(shù)值。

2 帶寬評測方法

傳感器帶寬是指傳感器正常工作的頻率范圍。目前國際以及國內(nèi)沒有公認(rèn)的帶寬檢測方法，需要采用自制設(shè)備自主試驗。

圖1 電流傳感器性能評測方案接線圖

圖2 電流傳感器帶寬評測接線圖

如圖2所示，通過控制信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的源信號，測量并采集相應(yīng)頻率信號條件下的傳感器輸出幅度和頻率，隨著輸入信號頻率的增加，輸出信號的頻率也隨之增加，而傳感器輸出的幅度不變，當(dāng)輸入信號的頻率增加到傳感器的輸出幅度降低到標(biāo)準(zhǔn)輸出的90%的情況下，這時所測量到的輸入信號頻率即為傳感器的工作帶寬。

3 分辨力評測方法

傳感器分辨力的定義是當(dāng)傳感器的輸入從非零值緩慢增加時，在超過某一增量后輸出發(fā)生可觀測的變化，這個輸入增量稱傳感器的分辨力，即最小輸入增量。可以采取高精度電流表進(jìn)行觀測。在圖1所示的評測系統(tǒng)中，通過在零狀態(tài)下逐漸增加輸入電流幅度，同時記錄相應(yīng)傳感器輸出信號的有效值，根據(jù)分辨力的定義，通過分析輸入輸出數(shù)據(jù)，并結(jié)合傳感器的靈敏度信息，可以確定傳感器的分辨力。

4 線性度評測方法

線性度指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離參比工作直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與參比工作直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。在圖1所示的評測系統(tǒng)中，測量并采集相應(yīng)幅度信號條件下的傳感器輸出幅度，可以得到傳感器的輸入輸出曲線。

傳感器的端基線性度誤差δL按以下公式計算：

式中：

δL——傳感器的端基線性度誤差；

ΔLmax——同一校準(zhǔn)點上正反行程多次測量的輸出信號值的算術(shù)平均值與參比直線上相應(yīng)點的最大差值的絕對值；

YFS——表示滿量程輸出。

5 溫度系數(shù)評測方法

傳感器的溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移程度。一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比表示。在圖1所示的評測系統(tǒng)中，將被測傳感器接上輔助電源標(biāo)稱值，放入溫度試驗箱，分別在參比溫度、下限工作溫度和上限工作溫度，至少各保溫2h，使傳感器的溫度恒定。讀取上述溫度下傳感器的滿量程輸出值。

熱滿量程輸出漂移δFSt按以下公式計算：

式中：

δFSt——熱滿量程輸出漂移（取絕對值較大值）；

t1——參比溫度；

t2——下限或上限工作溫度；

yFSt1——參比溫度時傳感器的實際滿量程輸出值；

yFSt2——下限或上限工作溫度時傳感器的實際滿量程輸出值。

傳感器準(zhǔn)確度測量方法，可以參考機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T7490-2007霍爾電流傳感器》中所規(guī)定的相關(guān)測試和計算方法。

6 準(zhǔn)確度評測方法

傳感器在規(guī)定的參比條件下，接上輔助電源，預(yù)熱30min后，在記錄觀察值之前，傳感器應(yīng)在滿量程范圍內(nèi)進(jìn)行三次標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷循環(huán)，每次標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷循環(huán)輸入從最小逐漸增加到最大，然后再逐漸減少到最小，并在上、下限處各保持10s。

在包括傳感器測量上、下限的全量程范圍內(nèi)選擇均勻分布的6～11個校準(zhǔn)點，其中應(yīng)包括上、下限的點。作三次或三次以上的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，觀察并記錄對應(yīng)每個輸入值的輸出值。然后根據(jù)三次測量值分別計算出傳感器的零點輸出誤差、基本誤差、線性度誤差、回差、重復(fù)性誤差。

傳感器準(zhǔn)確度測量方法，可以參考機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T7490-2007霍爾電流傳感器》中所規(guī)定的相關(guān)測試和計算方法。

7 可靠性評測方法

可靠性評測方法分為正常生產(chǎn)過程的評測和周期性檢驗評測。可以采取老化試驗檢測平均故障間隔時間，也可第三方委托檢測。可靠性評測主要包括：

7.1 篩選試驗

產(chǎn)品在功能調(diào)試完成后，進(jìn)行篩選試驗：

（1）常溫通電老化24h，剔除早期失效產(chǎn)品；

（2）不帶電情況下高低溫循環(huán)2次，剔除焊接中的虛焊隱患；

（3）高低溫時的零點和輸出測試，剔除溫度漂移大的產(chǎn)品。

7.2 環(huán)境試驗

（1）產(chǎn)品灌封后不帶電情況下進(jìn)行高低溫2次循環(huán)老化，消除灌封膠的應(yīng)力影響；

（2）對每批次產(chǎn)品按詳細(xì)規(guī)范的抽樣要求進(jìn)行高低溫貯存和高低溫工作的性能試驗；

（3）在周期性檢驗中，進(jìn)行沖擊、振動、鹽霧的環(huán)境試驗。

7.3 壽命試驗

根據(jù)對傳感器產(chǎn)品部件壽命的分析，影響傳感器整機(jī)壽命的關(guān)鍵在于電子元器件的壽命以及焊接過程中的過程缺陷。根據(jù)電子產(chǎn)品的工作特點采取高溫、滿量程加速測試的方法來判定產(chǎn)品的使用壽命。將3只傳感器置于極限工作溫度，傳感器輸入滿量程的被測信號，在此條件下，以傳感器連續(xù)工作96h來檢驗是否滿足無故障工作時間大于10000h的指標(biāo)。

7.4 可靠性試驗評估

產(chǎn)品生產(chǎn)中，對測量數(shù)據(jù)和產(chǎn)品成品率情況統(tǒng)計，驗證影響產(chǎn)品可靠性的因素。根據(jù)以往的設(shè)計制造經(jīng)驗，影響傳感器可靠性的主要因素包括：

（1）電子元器件的偶然失效；

（2）線路板焊接中的缺陷隱患；

（3）工藝過程中的不精心操作。

7.5 提高產(chǎn)品可靠性的措施主要有

（1）選用高質(zhì)量的元器件，降低產(chǎn)品的偶然失效率；

（2）保證產(chǎn)品生產(chǎn)中所有工序的按工藝嚴(yán)格操作，提高產(chǎn)品成品率；

（3）嚴(yán)格老化和篩選，剔除早期失效產(chǎn)品和有質(zhì)量缺陷的產(chǎn)品。

結(jié)束語：通過對高穩(wěn)定寬量程電流傳感器測試方案的不斷研究，會逐步提升電流傳感器的質(zhì)量及產(chǎn)品的穩(wěn)定性，對推動我國電力電子、航空航天、新能源汽車及高性能儀器儀表行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級將會有一定的促進(jìn)作用。